三相四线制虚拟同步发电机的不对称故障穿越系统及方法

摘要

本申请公开了一种三相四线制虚拟同步发电机的不对称故障穿越系统及方法，当电网发生不对称故障时，通过采集模块获取电网的公共耦合点电压，故障类型检测模块根据公共耦合点电压检测出其对应的相是否发生故障，以及故障相的故障类型，同时内电势选择模块根据故障类型计算虚拟阻抗值，使得虚拟阻抗模块根据虚拟阻抗值对故障相加入虚拟阻抗对故障相进行限流，直至故障相恢复正常后去除虚拟阻抗；若该相没有发生故障，通过虚拟同步控制模块加入惯性环节以及阻尼环节，使得该相保持稳定。解决现有了的三相三线制VSG技术在工程实际中对控制器要求高，在大功率系统中实现难度大的技术问题。

说明书

技术领域

本申请涉及电力技术领域，尤其涉及一种三相四线制虚拟同步发电机的不对称故障穿越系统及方法。

背景技术

在目前的研究中，分布式清洁能源大多以微电网的形式来接入大电网中，微电网是一种由分布式微源、储能系统、变流器、负荷等结合在一起的小型发配电系统，可以实现内部的自我管理和控制。微电网主要有两种运行模式：并入大电网的并网模式和脱离大电网的孤岛模式，其中并网模式需要通过并网逆变器并入电网；而根据控制环中主要控制量的差异，可以将并网逆变器的控制方式分为电流型控制和电压型控制，然而这两种控制方式由于响应速度快、转动惯量小，容易受负荷波动或短路故障等电网波动的影响，相关学者基于同步发电机的电磁方程和机械方程提出了虚拟同步发电机(Virtual SynchronousGenerator,VSG)，通过虚拟同步发电机具有较强的惯性和阻尼的特点来提高微电网稳定性。

但是，当电网发生不对称故障时，电网侧的电压会发生不对称跌落，VSG由于惯性其输出电压无法发生突变，从而会导致在线路上产生很大的冲击电流，此时，若VSG不脱网运行，很可能烧毁电力电子器件，甚至影响系统稳定运行。而若VSG脱离大电网则会使得分布式微源利用效率低。因此在工程应用中要求逆变器具备故障穿越能力，在电网短暂故障期间仍能保持并网状态，同时为电网提供功率支撑。

目前，当电网发生不对称故障时，主要通过三相三线制VSG将虚拟同步控制切换为电流型控制来抑制冲击电流，但是这些策略在工程实际中对控制器要求高，在大功率系统中实现难度大。

发明内容

本申请实施例提供了一种三相四线制虚拟同步发电机的不对称故障穿越系统及方法，用于解决现有的三相三线制VSG技术在工程实际中对控制器要求高，在大功率系统中实现难度大的技术问题。

有鉴于此，本申请第一方面提供了一种三相四线制虚拟同步发电机的不对称故障穿越系统，所述系统包括：

虚拟同步控制模块、采样模块、故障类型检测模块、虚拟阻抗模块、内电势选择模块；

所述采样模块的第一端均与电网的三相相连，第二端分别与所述虚拟同步控制模块和所述故障类型检测模块的第一端相连；所述虚拟同步控制模块和所述故障类型检测模块的第二端均与所述内电势选择模块的第一端相连；所述内电势选择模块的第一端与所述虚拟阻抗模块的第一端相连，所述虚拟阻抗模块的第二端与所述故障类型检测模块的第二端相连；所述电网为三相四线制电网；

所述采样模块用于：当所述电网发生不对称故障时，获取所述电网的公共耦合点电压，并发送所述公共耦合点电压至所述故障类型检测模块；

所述故障类型检测模块用于：根据所述公共耦合点电压判断对应的相是否发生故障，若是并检测出故障相的故障类型，并发送所述故障类型到所述内电势选择模块，所述故障类型包括：单相接地故障、两相接地故障和两相短路故障，否则，发送请求指令给所述内电势选择模块；

所述内电势选择模块用于：根据所述故障类型确定虚拟阻抗值，并发送虚拟阻抗值的指令给所述虚拟阻抗模块；或将所述请求指令转发至所述虚拟同步控制模块；

所述虚拟阻抗模块用于：根据所述虚拟阻抗值的指令对所述故障相加入虚拟阻抗使得所述故障相进行限流后，并触发所述故障类型检测模块，直至所述故障相恢复正常后去除所述虚拟阻抗；

所述虚拟同步控制模块用于：根据所述请求指令对所述对应的相加入惯性环节以及阻尼环节，使得所述对应的相保持稳定。

可选地，所述虚拟阻抗模块还包括：低通滤波器；

所述低通滤波器用于：在所述根据所述虚拟阻抗值的指令对所述故障相加入虚拟阻抗使得所述故障相进行限流之后，对所述电网的高频谐波分量进行滤除。

可选地，所述故障类型检测模块，具体用于：

根据所述公共耦合点电压判断对应的相是否发生故障，若是，根据故障特征检测出故障相的故障类型；

若所述电网仅产生单相电压跌落时，则所述电网发生单相接地故障；若所述电网同时产生两相电压跌落及零序分量，则所述电网发生两相接地故障；若所述电网仅产生两相电压跌落，则所述电网发生两相短路故障；并发送所述故障类型到所述内电势选择模块；

否则，发送所述请求指令给所述内电势选择模块。

可选地，还包括：SPWM模块；

所述SPWM模块的第一端与所述内电势选择模块的第二端相连；

所述SPWM模块用于：当所述电网正常运行时，所述SPWM模块的第二端与所述电网进行并联。

可选地，所述虚拟同步控制模块，还用于：

对所述电网进行有功调频以及无功调压控制。

本申请第二方面提供一种三相四线制虚拟同步发电机的不对称故障穿越方法，应用于上述第一方面所述的三相四线制虚拟同步发电机的不对称故障穿越系统，所述系统包括：

S1、当电网发生不对称故障时，采样模块获取所述电网的公共耦合点电压，并发送所述公共耦合点电压至故障类型检测模块，所述电网为三相四线制电网；

S2、所述故障类型检测模根据所述公共耦合点电压判断对应的相是否发生故障，若是，并检测出故障相的故障类型，并发送所述故障类型到内电势选择模块，所述故障类型包括：单相接地故障、两相接地故障和两相短路故障，否则，发送请求指令给所述内电势选择模块；

S3、所述内电势选择模块根据所述故障类型确定虚拟阻抗值，并发送虚拟阻抗值的指令给虚拟阻抗模块；或将所述请求指令转发至虚拟同步控制模块；

S4、所述虚拟阻抗模块根据所述虚拟阻抗值的指令对所述故障相加入虚拟阻抗使得所述故障相进行限流后，并返回步骤S2，直至所述故障相恢复正常后去除所述虚拟阻抗；

S5、虚拟同步控制模块根据所述请求指令对所述对应的相加入惯性环节以及阻尼环节，使得所述对应的相保持稳定。

可选地，在所述根据所述虚拟阻抗值的指令对所述故障相加入虚拟阻抗使得所述故障相进行限流之后，还包括：

通过低通滤波器对所述电网的高频谐波分量进行滤除。

可选地，步骤S2，具体包括：

所述故障类型检测模块根据所述公共耦合点电压判断对应的相是否发生故障，若是，并检测出所述故障相的故障类型；

若所述电网仅产生单相电压跌落时，则所述电网发生单相接地故障；若所述电网同时产生两相电压跌落及零序分量，则所述电网发生两相接地故障；若所述电网仅产生两相电压跌落，则所述电网发生两相短路故障；并发送所述故障类型到所述内电势选择模块；

否则，发送所述请求指令给所述内电势选择模块。

可选地，还包括：

当所述电网正常运行时，通过SPWM模块与所述电网进行并联。

可选地，步骤S5之后，还包括：

所述虚拟同步控制模块对所述电网进行有功调频以及无功调压控制。

从以上技术方案可以看出，本申请具有以下优点：

本申请的三相四线制虚拟同步发电机的不对称故障穿越系统，当电网发生不对称故障时，通过采集模块获取电网的公共耦合点电压，故障类型检测模块根据公共耦合点电压检测出其对应的相是否发生故障，以及故障相的故障类型，同时内电势选择模块根据故障类型计算好虚拟阻抗值，使得虚拟阻抗模块根据虚拟阻抗值对故障相加入虚拟阻抗使得故障相进行限流，直至故障相恢复正常后去除虚拟阻抗；若该相没有发生故障，通过虚拟同步控制模块加入惯性环节以及阻尼环节，使得该相保持稳定。本申请系统为分相控制系统，能够有效保证电网不对称故障时三相四线制VSG的非故障相继续工作于额定状态，同时还可以有效限制故障相的冲击电流；同时三相四线制拓扑结构可以进行结构上三相解耦，而且良好的带不平衡负荷能力，可以很好地适用于低压配电网中；并且系统结构简单，实现容易，从而解决现有了的三相三线制VSG技术在工程实际中对控制器要求高，在大功率系统中实现难度大的技术问题。

附图说明

图1为本申请实施例中提供的一种三相四线制虚拟同步发电机的不对称故障穿越系统与电网并联的系统架构图；

图2为本申请实施例中提供的一种虚拟同步控制模块的虚拟同步控制的原理图；

图3为本申请实施例中提供的一种故障穿越控制原理图；

图4为本申请实施例中提供的一种三相四线制虚拟同步发电机的不对称故障穿越方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

下面是对三相四线制虚拟同步发电机的不对称故障穿越系统与三相四线制的电网并联后的系统介绍。

请参阅图图1，在该系统中，直流侧为储能系统，然后通过三相桥式电路进行电能变换，并且采用LC电路对输出滤波，再通过断路器进行并网，同时输出侧带有负载。直流侧通过分裂电容形成中性点，电网中性点、负载中性点、电容中性点、直流侧中性点都通过中性线连接在一起。

其中U

下面是对虚拟同步控制模块的虚拟同步控制的原理图的介绍。

请参阅图2，J是仿照同步发动机惯性而引入的转动惯量，Dp和Dq是有功环频率下垂系数和无功环电压下垂系数，K是无功阻尼系数，Tm和Te分别为机械转矩值和计算的电磁转矩值，Q为输出无功功率值，e为控制算法输出的内电势，θ为控制算法中虚拟转子的相位，if为虚拟励磁电路，Mf为模拟同步发电机中励磁绕组和定子绕组的最大互感值，io为逆变器输出电流瞬时采样值。

图3为本申请提供的一种故障穿越控制原理图，当故障类型检测模块检测出具体的故障类型时，内电势选择模块便会根据下述三相四线制虚拟同步发电机的不对称故障穿越方法实施例的分相控制方法进行故障穿越，实现冲击电流抑制。

请参阅图1和图4，以下为本申请实施例提供的一种三相四线制虚拟同步发电机的不对称故障穿越系统的实施例一，包括：虚拟同步控制模块、采样模块、故障类型检测模块、虚拟阻抗模块、内电势选择模块；

采样模块的第一端均与电网的三相相连，第二端分别与虚拟同步控制模块和故障类型检测模块的第一端相连；虚拟同步控制模块和故障类型检测模块的第二端均与内电势选择模块的第一端相连；内电势选择模块的第一端与虚拟阻抗模块的第一端相连，虚拟阻抗模块的第二端与故障类型检测模块的第二端相连；电网为三相四线制电网。

采样模块用于：当电网发生不对称故障时，获取电网的公共耦合点电压，并发送公共耦合点电压至故障类型检测模块。

故障类型检测模块用于：根据公共耦合点电压判断对应的相是否发生故障，若是，并检测出故障相的故障类型后，发送故障类型到内电势选择模块，故障类型包括：单相接地故障、两相接地故障和两相短路故障，否则，发送请求指令给内电势选择模块。

内电势选择模块用于：根据故障类型确定虚拟阻抗值，并发送虚拟阻抗值的指令给虚拟阻抗模块；或将请求指令转发至虚拟同步控制模块。

虚拟阻抗模块用于：根据虚拟阻抗值的指令对故障相加入虚拟阻抗使得故障相进行限流后，并触发故障类型检测模块，直至故障相恢复正常后去除虚拟阻抗。

虚拟同步控制模块用于：根据请求指令对对应的相加入惯性环节以及阻尼环节，使得对应的相保持稳定。

需要说明的是，采集模块为图1中u

可以理解的是，当故障类型检测模块判断出A、B、C相是否发生故障后，发送指令给内电势选择模块，使得内电势选择模块控制虚拟同步控制模块或虚拟阻抗模块进行相应的工作。若A、B、C相中的A相发生了故障，B、C相未发生故障，那么故障类型检测模块便会根据公共耦合点电压检测出A相的具体故障类型，并通过内电势选择模块计算出发生该故障类型时，虚拟阻抗模块需要向电网中的A相加入虚拟阻抗的大小，使得虚拟阻抗模块向电网中的A相的内电势出口加入加入虚拟阻抗，用于对A相进行限流，并继续通过故障类型检测模块判断是A相否已经消除故障，直至消除故障后去除所述虚拟阻抗，需要说明的是，故障穿越控制只是故障发生时的暂时状态，并不是系统工作的正常状态，因此在故障清除后需要及时返回至虚拟同步控制状态，从而实现了对冲击电流抑制。

同时，由于B、C相未发生故障，故障类型检测模块会发送信号到内电势选择模块，以控制虚拟同步控制模块工作，使得虚拟同步控制模块向电网中的B、C相加入惯性环节以及阻尼环节，从而保持了B、C相稳定。

因此，本申请的系统能够在电网的一部分相正常运行与电网的另一部分相发生不对称故障时，进行分相控制，使得非故障相继续工作于额定状态，同时还可以有效限制故障相的冲击电流。

本申请的三相四线制虚拟同步发电机的不对称故障穿越系统，当电网发生不对称故障时，通过采集模块获取电网的公共耦合点电压，故障类型检测模块根据公共耦合点电压检测出其对应的相是否发生故障，以及故障相的故障类型，同时内电势选择模块根据故障类型计算好虚拟阻抗值，使得虚拟阻抗模块根据虚拟阻抗值对故障相加入虚拟阻抗使得故障相进行限流，直至故障相恢复正常后去除虚拟阻抗；若该相没有发生故障，通过虚拟同步控制模块加入惯性环节以及阻尼环节，使得该相保持稳定。本申请系统为分相控制系统，能够有效保证电网不对称故障时三相四线制VSG的非故障相继续工作于额定状态，同时还可以有效限制故障相的冲击电流；同时三相四线制拓扑结构可以进行结构上三相解耦，而且良好的带不平衡负荷能力，可以很好地适用于低压配电网中；并且系统结构简单，实现容易，从而解决现有了的三相三线制VSG技术在工程实际中对控制器要求高，在大功率系统中实现难度大的技术问题。

进一步地，在实施例一的基础上，虚拟阻抗模块还包括：低通滤波器；低通滤波器用于：在根据虚拟阻抗值的指令对故障相加入虚拟阻抗使得故障相进行限流之后，对电网的高频谐波分量进行滤除。

需要说明的是，由于虚拟阻抗模块向故障相加入的虚拟阻抗中的电感部分会对电网输出电流中的高频谐波分量进行放大，因此在加入虚拟阻抗的端口增加低通滤波器(LPF)来滤除高频谐波分量，从而提高系统的抗高频谐波扰动能力。同时本领域技术人员还可以根据实际需要，引入自适应虚拟阻抗来优化故障发生瞬间的状态，在此不做赘述。

进一步地，故障类型检测模块，具体用于：根据公共耦合点电压判断对应的相是否发生故障，若是，并检测出故障相的故障类型；若电网仅产生单相电压跌落时，则电网发生单相接地故障；若电网同时产生两相电压跌落及零序分量，则电网发生两相接地故障；若电网仅产生两相电压跌落，则电网发生两相短路故障；并发送故障类型到内电势选择模块；否则，发送请求指令给内电势选择模块。

需要说明的是，三种不对称故障具有不同的特点，单相接地故障时只有单相电压跌落，两相接地故障和两相短路故障时均有两相电压跌落，但后者不产生零序分量，因此可以根据其特点检测公共耦合点电压(PCC电压)值来判断所发生的故障类型。电网发生不对称故障时，根据故障类型来选择不同的虚拟阻抗来进行限流。

进一步地，在实施例一的基础上，还包括：SPWM模块；SPWM模块的第一端与内电势选择模块的第二端相连；SPWM模块用于：当电网正常运行时，SPWM模块的第二端与电网进行并联。

需要说明的是，SPWM模块利用SPWM控制方法的模块，SPWM控制方法也就是正弦脉宽调制技术，通过SPWM控制方法可以获取电网中的三相电正弦电压。

进一步地，虚拟同步控制模块，还用于：对电网进行有功调频以及无功调压控制。

可以理解的是，本申请实施例的虚拟同步控制模块还可以用于对电网进行有功调频以及无功调压控制。

以上为本申请实施例提供的一种三相四线制虚拟同步发电机的不对称故障穿越系统的实施例，以下为本申请实施例提供的一种三相四线制虚拟同步发电机的不对称故障穿越方法的实施例。

请参阅图1和图4，本申请的实施例提供的一种三相四线制虚拟同步发电机的不对称故障穿越方法，包括：

步骤101、当电网发生不对称故障时，采样模块获取电网的公共耦合点电压，并发送公共耦合点电压至故障类型检测模块，电网为三相四线制电网。

步骤102、故障类型检测模根据公共耦合点电压判断对应的相是否发生故障，若是，并检测出故障相的故障类型，并发送故障类型到内电势选择模块，故障类型包括：单相接地故障、两相接地故障和两相短路故障，否则，发送请求指令给内电势选择模块。

步骤103、内电势选择模块根据故障类型确定虚拟阻抗值，并发送虚拟阻抗值的指令给虚拟阻抗模块；或将请求指令转发至虚拟同步控制模块。

步骤104、虚拟阻抗模块根据虚拟阻抗值的指令对故障相加入虚拟阻抗使得故障相进行限流后，并返回步骤102，直至故障相恢复正常后去除虚拟阻抗。

步骤105、虚拟同步控制模块根据请求指令对对应的相加入惯性环节以及阻尼环节，使得对应的相保持稳定。

本申请的三相四线制虚拟同步发电机的不对称故障穿越方法，当电网发生不对称故障时，通过采集模块获取电网的公共耦合点电压，故障类型检测模块根据公共耦合点电压检测出其对应的相是否发生故障，以及故障相的故障类型，同时内电势选择模块根据故障类型计算好虚拟阻抗值，使得虚拟阻抗模块根据虚拟阻抗值对故障相加入虚拟阻抗使得故障相进行限流，直至故障相恢复正常后去除虚拟阻抗；若该相没有发生故障，通过虚拟同步控制模块加入惯性环节以及阻尼环节，使得该相保持稳定。本申请系统为分相控制系统，能够有效保证电网不对称故障时三相四线制VSG的非故障相继续工作于额定状态，同时还可以有效限制故障相的冲击电流；同时三相四线制拓扑结构可以进行结构上三相解耦，而且良好的带不平衡负荷能力，可以很好地适用于低压配电网中；本申请的方法实现简单，从而解决现有了的三相三线制VSG技术在工程实际中对控制器要求高，在大功率系统中实现难度大的技术问题。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的方法的具体过程，可以参考前述系统实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本申请的说明书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

应当理解，在本申请中，“至少一个(项)”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，用于描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：只存在A，只存在B以及同时存在A和B三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，“a和b”，“a和c”，“b和c”，或“a和b和c”，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(英文全称：Read-OnlyMemory，英文缩写：ROM)、随机存取存储器(英文全称：Random Access Memory，英文缩写：RAM)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。